MicroRNA-Studie ebnet den Weg für die Verbesserung von Nutzpflanzen

MicroRNAs können Pflanzen widerstandsfähiger gegen Dürre, Salzgehalt, Krankheitserreger und mehr machen. Studie veröffentlicht in Natur PflanzenWissenschaftler von Texas A&M AgriLife Research zeigen, wie wenig wir über die komplexen Prozesse wussten, die Pflanzen zu ihrer Herstellung nutzen.

MicroRNAs sind kleine Moleküle, die Proteine ​​dazu anweisen können, die Genexpression zu verringern. Durch die Entwicklung künstlicher Versionen können Wissenschaftler gezielt bestimmte Gene anvisieren, um so Nutzpflanzen zu verbessern.

„Obwohl diese Mikro-RNA-Moleküle sehr klein sind, sind ihre Auswirkungen enorm“, sagte Xiuren Zhang, Ph.D., Christine Richardson Stiftungsprofessorin im Fachbereich Biochemie und Biophysik des Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences, außerordentliche Professorin im Fachbereich Biologie des Texas A&M College of Arts and Sciences und Hauptforscherin der Studie.

Mithilfe präziser Mutationen und eines cleveren Versuchsdesigns untersuchten Forscher von Texas A&M AgriLife die Landschaft der microRNAs im Modellorganismus Arabidopsis thaliana neu und fanden heraus, dass weniger als die Hälfte davon korrekt als microRNAs identifiziert wurden, während die übrigen falsch kategorisiert sind oder weitere Untersuchungen erfordern.

Die Studie liefert nicht nur die echten microRNA-Moleküle in Arabidopsis thaliana, sondern auch ein effektives experimentelles Design, um die Analyse bei anderen Nutzpflanzen und sogar bei Tieren zu wiederholen, die wahrscheinlich einer ähnlichen Überprüfung bedürfen. Die Entdeckungen des Teams halfen ihnen auch dabei, aktualisierte Richtlinien für die Entwicklung künstlicher microRNAs zu erstellen, was die Tür für Verbesserungen bei Nutzpflanzen wie Mais, Weizen, Sojabohnen und Reis öffnet.

Xingxing Yan, eine wissenschaftliche Hilfskraft, und Changhao Li, Ph.D., ein Postdoktorand, waren Co-Erstautoren der Studie.

Ein jahrzehntealtes Unterfangen

MicroRNAs haben eine einheitliche Länge von etwa 21 bis 24 Nukleotiden. Doch in Pflanzen, so Zhang, kommen ihre Vorläufer in unterschiedlichen Formen und Größen vor.

Aufgrund der strukturellen Vielfalt der Vorläuferzellen war es bisher schwierig herauszufinden, welche Schlüsselmerkmale für ihre Verarbeitung am wichtigsten sind. Daher blieb die Frage, wie Mikro-RNAs in Pflanzen erzeugt werden, weitgehend unerforscht und unbestätigt.

Vor etwa 10 Jahren, so Zhang, entdeckten er und sein Labor ein Muster zwischen einer Schleife auf der Vorläufer-Mikro-RNA-Struktur und der ersten Schnittstelle. Dieser erste Schnitt ist bedeutsam, da er das erste Nukleotid auf dem reifen Mikro-RNA-Molekül bestimmt, ein wichtiger Faktor, um es an die richtige Stelle in einer Zelle zu leiten.

Leider verfügten – zumindest den Computermodellen zufolge – nur wenige der 326 vermuteten Mikro-RNA-Vorläufer in Arabidopsis thaliana über die ideale Referenzschleife, die Zhangs Labor gefunden hatte.

„Die Modelle basieren auf reiner Chemie“, sagte Zhang. „Sie konzentrieren sich nur auf die freie Energie, also auf die Form, die am stabilsten sein sollte. Aber sie können nicht erklären, warum so viele verschiedene Vorläufer zu Produkten gleicher Größe führen können.“

Anstatt sich auf die Modelle zu verlassen, versuchte Zhangs Labor, die microRNA-Vorläufer in Pflanzen zu verifizieren. Sie wollten die ersten Schnittstellen an den Vorläufern finden und ihre strukturellen Determinanten in Zellen bestätigen.

Unerwartete Erkenntnisse

Zu diesem Zweck haben die Forscher das Dicer-Protein, das, wie der Name schon sagt, für präzise Schnitte im microRNA-Vorläufer verantwortlich ist, hochspezifisch mutiert. Normalerweise fungiert das Protein wie zwei Hände, die einen Doppelstrang Vorläufer-RNA festhalten und gleichzeitig an einer Stelle in jedem Strang schneiden, bevor sie das RNA-Molekül freigeben.

„Wir haben an zwei Stellen des Dicer-ähnlichen Proteins Punktmutationen vorgenommen, um sie halbaktiv zu machen“, sagte Yan. „Auf diese Weise können sie nur einen Strang schneiden und vor der weiteren Verarbeitung anhalten. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Zwischenprodukte des Mikro-RNA-Vorläufers zu erfassen, was uns die anfänglichen Verarbeitungsstellen und das erste Nukleotid verrät.“

Ihre Ergebnisse zeigten, dass nur 147 der 326 vermuteten microRNA-Vorläufer definitiv mit dem Dicer-Protein interagieren, was diese als echte microRNA-Vorläufer kennzeichnet. 81 interagierten überhaupt nicht, was nahelegt, dass sie als anderer RNA-Typ neu klassifiziert werden sollten. Rund 100 müssen noch weiter untersucht werden.

Das Team verwendete außerdem eine fortschrittliche Hochdurchsatztechnik und eine neue Computermethode, um die Strukturen von Mikro-RNA-Vorläufern in ihrem natürlichen Zellzustand zu kartieren. Dabei stellte es fest, dass etwa 95 % der Strukturen der 147 echten Mikro-RNA-Moleküle in den Zellen von den Computervorhersagen abwichen.

„Wir haben mehrere Ergebnisse gefunden, die sich deutlich von Vorhersagen und der Literatur unterscheiden“, sagte Li. „Wir konnten biochemische Ergebnisse mit Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation kombinieren, um mehr Informationen zu erhalten, und jetzt ist unser Verständnis der Strukturen viel genauer.“

Die Zukunft

Das Team muss noch weitere microRNA-Vorläufer in Arabidopsis thaliana validieren, aber Zhang sagte, dass sie gespannt darauf seien, gemeinsam die microRNA-Verarbeitung in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen für praktischere Anwendungen zu untersuchen.

„Wir möchten mehr darüber herausfinden, welche Art von Mikro-RNAs in anderen Nutzpflanzen vorkommen, wie sie verarbeitet werden und wie wir darin künstliche Mikro-RNAs herstellen können“, sagte er.

„Diese Studie liefert Ressourcen, die vielseitig eingesetzt werden können. Jetzt können wir sie nutzen, um andere Kulturpflanzen erneut zu untersuchen, herauszufinden, was korrigiert werden muss, und zu sehen, was wir sonst noch mit diesem Tool tun können.“